[科普中国]-煤的加工

简介

煤炭加工指应用物理、化学或物理化学方法排除煤中的矿物杂质和有害元素，生产出不同质量的适应使用部门不同需求的煤炭品种，为有效地综合利用煤炭创造条件。煤炭加工按加工深度分为粗加工、细加工与精加工。粗加工主要指毛煤(煤矿生产出来未经任何加工处理的煤)的拣矸与筛选;细加工主要指煤炭的湿法或干法分选;精加工主要指煤的转化，如气化、液化、流态化(水煤浆)以及超纯煤的提取。煤炭利用指科学地利用加工后的煤炭，既要使其蕴藏的热能以及各种有用化学成分得以充分利用，又要尽可能地将伴生矿物或元素加以回收、提取和利用的工作。在这过程中要最大限度地减轻对环境造成危害。作为能源是在工业、农业以及生活等方面以燃料形式加以利用; 作为原料是用化学或物理化学方法制取煤气、焦炭并提取化工产品，如，氨、苯、硫、碳氢化合物、腐植酸、各种脂肪烃及多环化合物等。煤炭还是制取电石、电极、活性炭的原料。煤炭综合利用还包括与煤伴生的矿产(如煤层气、硫铁矿、粘土) 以及煤矸石和粉煤灰的利用。1

煤炭加工主要包括筛选、选煤、煤炭成型、煤炭制浆、煤炭燃烧、煤炭转化等方面。1

筛选用筛分设备把开采出来的毛煤分成大小不同的粒级，并拣除规定粒级中的可见矸石和杂物的加工作业。1

选煤用物理或物理化学方法加工筛选后的煤，分选出不同质量或粒级产品的工艺过程。根据分选介质是水、空气或油，将选煤分为湿法选煤、干法选煤及油团选煤。湿法选煤应用最广，它包括的作业很多，如原煤的贮备、配煤、破碎、跳汰选、重介选、浮选、特殊选、煤泥水处理、脱水、脱尘、干燥、贮运等，它们的相互配合，构成了种种不同的选煤工艺。根据原煤特性、用户对产品的要求、地理环境等条件，选择不同的选煤工艺流程，以满足冶金、钢铁、电力、铁路、化肥及各种民用要求。选煤是煤炭加工的基础，它从根本上改善煤炭产品质量，提高热效率，减轻环境污染。1

煤炭成型在较高的压力、适当的温度或掺混一定量的粘结剂将粉煤加工成具有一定形状、尺寸和特定性能的作业。煤炭成型后，由于外形尺寸的规格化、水分的降低以及燃烧方式的改变，有利于洁净燃烧与热效率的提高。特别是内水分高、发热量低的褐煤，加工成型后，能显著改善质量，便于贮运，扩大用途，提高使用价值。

成型的方法分为无粘结剂成型与有粘结剂成型。成型工艺有冷压成型、热压成型及球团成型。型煤的形状有卵形、枕形、圆柱形及方柱形。

型煤按用途分为工业型煤及民用型煤两种。前者包括燃料型煤及原料型煤，后者主要是蜂窝煤与煤球。1

煤炭制浆将具有一定质量标准的煤粉或煤泥加工成适宜的粒度组成，配以各种添加剂，与水或油搀混搅拌配制成有良好流动性的高浓度(可达70%)水煤浆或油煤浆，以代替燃料油。这种流态化煤浆可用罐车运输，亦可用管道输送，作为电厂锅炉和各种工业炉窑的燃料。此项技术既有利于能源利用效率的提高，又可减轻燃煤过程的环境污染。1

煤炭燃烧煤中可燃成分(碳及碳氢化合物)与氧发生强烈的化学反应，转变为热能的过程。煤在燃烧过程中通常难于充分燃尽，产生大量烟尘和残渣并排出有害气体。因此煤在燃前的洁净化处理、燃烧技术和设备的改进以及燃烧排放物的净化与综合利用等环节构成了燃烧的全过程。燃烧效率的提高与环境污染的防治，直接决定于燃烧全过程的控制水平。1

煤炭转化煤经过热加工或化学加工转变成新的热能或化工产品的工艺过程。煤经过转化加工，在有效利用热能的同时，煤炭的各种化学组分能得到充分利用，还可以减轻直接燃煤所造成的大气污染。

煤炭转化方法可概括为热解、气化、液化等。

煤炭热解包括低温干馏和焦化。低温干馏是将煤炭在隔绝空气的条件下加热，其挥发物为煤气和焦油，不挥发的固体残留物为半焦。焦化是以煤为原料，经高温(950℃左右)干馏产生焦炭，同时获得煤气、煤焦油等化工产品。

煤炭气化是以煤或焦炭为原料，在一定温度与压力条件下，生成以一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的合成原料气、城市煤气和燃料气等煤气产品的热化学加工过程。工业上常见的气化方法有：1)移动床气化法; 2)流化床气化法; 3)气流床气化法;4)熔融床气化法。

煤炭液化是在氢气、催化剂或供氢溶剂存在的条件下，将固体煤炭转化为洁净液体燃料油的热加工和化学加工过程。煤炭液化是为了生产石油代用品，还可用于精制煤炭，以获得超纯化学煤、炭素制品、炭纤维、针状焦的原料和粘结剂以及其他有机化工产品。

煤炭的液化分为直接液化与间接液化两种方式。

直接液化是在一定的温度与压力下，煤经过催化加氢裂化成液体烃类，并伴有少量气体烃的深度煤转化过程。其主要产品为优质汽油、喷气燃料油、柴油和芳烃、炭素化工原料及副产品，如燃料气、液化石油气、硫磺和氨等。

间接液化是在一定的温度与压力条件下将煤先制成合成气即H2+CO，再通过催化作用转变成烃类燃料、醇类燃料等化学产品的过程。该过程适用于多种原料煤，凡可气化的煤几乎都能采用这种方法进行液化处理。由于此法是分阶段生产，灵活性强，技术可靠。1

煤的综合利用指与原煤同时采出的煤系共伴生矿产以及选煤过程中排弃的废弃物和副产品的综合开发与利用。

煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，通常分为从煤矿开采中排出的矸石和从各类选煤厂排出的尾矿(俗称洗矸)二类。煤矸石中数量最大的是碳质页岩，碳质泥砂岩、碳质粉砂岩。煤矸石中含碳量一般为20%～30%，其它为氧化铝、二氧化硅和少量的氧化镁以及稀有元素。在煤炭开采与分选过程中，煤矸石的产出量在中国约占原煤产量的20%。它不仅占用土地堆放，还严重污染环境。因此，煤矸石的处理与利用已成为现代煤矿的重要课题。

各国对煤矸石采取的措施有以下4个方面：

(1) 发热量高于6MJ/kg的煤矸石可作为沸腾炉燃料，在产地用于发电或供热，炉渣做建材原料;

(2) 热值极低的煤矸石用于筑路或生产建筑材料，如水泥、砖瓦、陶瓷、岩棉和加气混凝土。含Al2O3较高的煤矸石可生产氯化铝、聚合铝等产品;

(3) 含硫量较高的煤矸石可从中回收硫化物;

(4) 含碳量极低的煤矸石可用于井下采空区充填或覆土造田。

煤系共伴生矿产主要为高岭土、耐火粘土、膨润土、硅藻土、石墨、硫铁矿等应进行综合开发利用。

褐煤和风化煤富含腐植酸，而腐植酸广泛用于农业、畜牧业和许多工业部门。因此，提取腐植酸是褐煤综合利用的重要一环。褐煤蜡含量较高的褐煤，还可用于制取褐煤蜡。1

国外煤炭深加工技术化学煤技术美国研究人员研究出一种生产低灰、低硫、高质量净煤—化学煤的新技术,为煤炭加工利用开辟了新途径。这种技术的基本原理是:在温度约340摄氏度、表压为10349kPa的条件下,将褐煤或其它劣质煤溶解于极性溶剂一氧化碳和碱组成的溶液中,使其中的碳成分分离,然后用离心法去除灰、硫、水分和杂质,获得流动性较好的优质石化原料或燃料。

化学煤技术具有两大优点:

①传统煤的液化技术是用高温高压使煤的碳成分裂解,而化学煤技术则用离子溶剂促进热键裂解。

②传统煤的净化技术是以杂质的化学反应为出发点,而化学煤技术则以碳成分的化学反应为基础。2

流化床锅炉燃烧煤的技术流化床锅炉能燃烧任何种类的煤,特别适合低质燃煤。烧高硫煤时,可在床层中加石灰石固硫。由于燃烧温度低,生成多氧化物很少。循环床是在一次燃烧室内不断向上旋动的炽热颗粒的方状物,由旋风器吸出,并直接或间接反回一次燃烧室,燃料在一次燃烧室内停留时间可以达到预定要求从而提高燃烧和固硫效率。而发泡床的燃烧和固硫效率则取决于燃料与床层材料的接触时间。

硫化床锅炉有下列几种:

（1）鼓泡流化床锅炉;

（2）循环流化床锅炉;

（3）增压流化床锅炉。2

煤水混合的煤浆技术及煤一水一油混合燃料日本生产出一种CWN(煤水化合物)燃料。它是将煤粉碎成直径不到1mm的细粒,与水混合成煤浆,并除去其中的硅类不燃物和其它无机混合物,同时加进少量添加剂,例如表面活性剂。

法国已研制出煤一水一油混合燃料,含有30%的水,16%的轻质燃料油,54%的煤(用选择性凝聚剂脱灰),这种混合燃料已投放市场。2

煤的液化—“F·T法”“F·T法”,是由一氧化碳和氢在催化剂的作用下,制备碳氢化合物的合成法。即先把煤气化之后,再用煤气合成人造石油。在南非已经按照这种方法,用煤生产出人造石油了。

由于生产过程的反应是放热反应,如何消除反应热是一项尖端技术。液相法是使触媒分散在溶剂中,使原料气化吹入其中参加反应。研究证明,这样有利于热的消除和成品的回收。

新触媒的制法是首先用超声波将铁超微粒子分散在由16个碳原子组成的直链烷烃(十六烷烃)中,然后,将碱金属再作同样处理,使之成为悬浊液,把这些物质混合一起后,再用超声波作分散处理。在铁触媒中加人碱金属,可以增加它的活性。由于铁的沉淀物是多孔的物质,参加反应的气体从微小的孔中通过,需要时间长,结果使反应速度变慢,而这里所使用的铁超微粒子是在比较高的温度下生成的,由于它的表面很圆滑,即使反应温度高,其活性下降也不太大。

煤的间接液化后—“F·T法”的反应速度,比过去用深沉铁为触媒,效率提高了20倍。用煤生产出石油,成本自然也会大幅度降低,不久的将来会在世界范围内得到推广。2

塑料煤炭日本煤炭公司将废塑料袋加人化学剂制成燃料,称之为塑料煤炭,即将批量生产。今后将在塑料工厂搜集塑料垃圾,一部分塑料废品废料可以经过提炼再资源化,变成二手塑料。另外,将塑料垃圾倒人经过175C热处理的植物油中,再加人其它化学剂,会使体积凝缩至2%,再送人塑料工厂加人其它助燃剂就成为粉末燃料,这时再经过凝缩处理就成为固体燃料,它可以用来烧大型锅炉。2

煤炭加工利用的发展史中国早在公元前约1000年的西周时期就已经开始使用煤炭作为燃料，1975年在河南荥阳市发掘的西汉炼铁遗址中挖出了大量煤饼，说明中国早在2000年前就已开始有了加工利用煤炭的技术。

公元前852年，英国Peter Lacough寺院将煤作为燃料送给百姓生火。公元前238年，阿里斯多德(Aris-totle)的学生描述了煤的性质、资源及使用，并特别指出铁匠已开始用煤炼铁。

17世纪，英国将煤运到欧洲大陆，扩大了煤的利用，18世纪，英国开始用煤作为高炉燃料。1881年德国建成第一座回收化学产品的炼焦炉。

煤气照明是1792年Willian Murdoch发明的。1810年，英国国会通过立法组成法定公司，给伦敦市供煤气。1812年4月30日，世界上第一家具工业规模的煤气公司一伦敦成斯敏特煤气照明和焦炭公司成立。

1832年，第一台低热值气体煤气发生炉在德国建成。为扩展煤气化技术开拓了道路。1861年又建成第一台阶梯式炉箅的西门子煤气发生炉。1909年发表了第一个煤炭地下气化的专利。1926年德国建成第一台工业化温克勒 (Winkler) 流化床气化炉。

中国明代以前就有土法炼焦并用焦炭冶铁。现代焦炉业始于1919年鞍山钢铁厂。上海市于1865年最先使用城市煤气。近30年煤气工业得到较快发展，截至1991年底统计，城市煤气总供量已达402.8亿m。

1977年，美国实施煤层甲烷回采计划，从地表开发与使用煤层气。我国抚顺矿区自1952年实现工业化抽取井下瓦斯，作民用燃料;至1993年中国已有抚顺、阳泉等矿区的110个矿井从事井下煤层气的抽取与利用，抽放量为5.34亿m3。

德国从1913年开始研究煤炭加氢液化，1921年建成了年产31t的中间试验工厂。

选煤业的发展起源于冶金工业对优质炼焦煤的要求。在19世纪初期，选煤业于欧洲兴起，当时主要是洗选加工炼焦煤。20世纪中叶，随着采掘机械化水平的提高及用煤部门对煤炭质量要求日趋严格，主要产煤国家的炼焦煤与动力用煤的洗选加工迅速发展。

20世纪后期，随着环境问题日益被人们所认识，80年代初美国首先提出洁净煤技术，得到世界各主要工业国的重视。中国成立了洁净煤中心。洁净煤技术是指煤炭在开发和利用过程中旨在减少污染与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等技术。使人类在利用煤炭的过程中对环境的污染降至最低程度。 1